我國(guó)設(shè)施生菜無(wú)土生產(chǎn)裝備研究現(xiàn)狀及展望*

賈桃，譚蓉，趙倩，王利春，郭文忠

(1. 北京市農(nóng)林科學(xué)院智能裝備技術(shù)研究中心，北京市，100097；2. 北京農(nóng)學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京市，100063)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)蔬菜產(chǎn)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，據(jù)《2021中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》，我國(guó)蔬菜種植面積為2.1×107hm2；產(chǎn)量為7.2×108t[1]，且市場(chǎng)供應(yīng)充足，品種豐富，特色鮮明，是我國(guó)優(yōu)勢(shì)特色種植業(yè)之一，現(xiàn)已逐步發(fā)展為農(nóng)業(yè)的支柱型產(chǎn)業(yè)。其中從歐洲地中海沿岸傳入中國(guó)的生菜，因其生長(zhǎng)發(fā)育、營(yíng)養(yǎng)口味等優(yōu)質(zhì)特點(diǎn)倍受消費(fèi)者青睞，該類(lèi)生菜種植面積已占全國(guó)蔬菜生產(chǎn)面積的10%，在我國(guó)蔬菜生產(chǎn)中占有重要地位。然而傳統(tǒng)土壤栽培生產(chǎn)，存在生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、運(yùn)輸損耗率高等問(wèn)題，對(duì)生菜的生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響。因此，為了提高生菜的生產(chǎn)效率和效益，改善傳統(tǒng)的低產(chǎn)量經(jīng)驗(yàn)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，尤其是大中城市群城郊建立設(shè)施生菜的現(xiàn)代化生產(chǎn)基地，相關(guān)學(xué)者致力于推動(dòng)設(shè)施生菜生產(chǎn)管理及機(jī)械方面的研究，并取得了大量的研究成果。其中，以水培為主的生菜生產(chǎn)，基本實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程裝備化的初步階段，從而為設(shè)施生菜的生產(chǎn)裝備發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。本文綜述了目前設(shè)施生菜無(wú)土生產(chǎn)各環(huán)節(jié)裝備的研究現(xiàn)狀，然后對(duì)當(dāng)前裝備研究和應(yīng)用存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 設(shè)施生菜生產(chǎn)及其機(jī)械化管理的必要性

設(shè)施生菜生產(chǎn)具有生育期短、生長(zhǎng)速度較快、植株矮小單一、單位面積上株數(shù)多等特點(diǎn)，且生菜中含有豐富的胡蘿卜素、維生素、纖維素以及鈣、鐵、鉀等微量元素，可以滿(mǎn)足人體所需要的營(yíng)養(yǎng)成分，也具有減緩慢性疾病、提高人體免疫力，延緩衰老，促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育等功能[2]；現(xiàn)已成為農(nóng)業(yè)種植與每日食譜首選。另外，由于生菜柔嫩含水量大，易損耗，通過(guò)長(zhǎng)途外運(yùn)易造成葉菜損耗大，新鮮程度低，品質(zhì)下降。因此，我國(guó)對(duì)于生菜的需求與日俱增，而傳統(tǒng)的生菜生產(chǎn)方式效率低下，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，已經(jīng)不能滿(mǎn)足生產(chǎn)和市場(chǎng)需求。

然而生菜在生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境、土壤及水肥的要求較高，容易形成經(jīng)驗(yàn)化農(nóng)業(yè)且生產(chǎn)成本較高，需要大量的勞動(dòng)力，產(chǎn)量也不能得到保證。除此之外，生菜種子萌發(fā)到餐桌食用的過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化程度高，比較容易實(shí)現(xiàn)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的有效串聯(lián)，并結(jié)合現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效種植自動(dòng)調(diào)度，如以下3個(gè)方面：(1)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)作業(yè)裝備；(2)各環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)運(yùn)裝備；(3)面向?qū)ο蟮淖詣?dòng)種植調(diào)度。因此，隨著科技的不斷發(fā)展，研究開(kāi)發(fā)系列設(shè)施生菜生產(chǎn)管理機(jī)械化裝備和無(wú)人化作業(yè)十分必要，以此增加單位面積的栽培株數(shù)，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管控生菜生產(chǎn)；建立全新的設(shè)施生菜生產(chǎn)模式和技術(shù)體系，把設(shè)施生菜年產(chǎn)量提高到50 kg/m2以上，大幅度超過(guò)傳統(tǒng)生菜年產(chǎn)量11.04 kg/m2的生產(chǎn)水平，實(shí)現(xiàn)我國(guó)生菜生產(chǎn)模式顛覆性的技術(shù)革新。由此可以看出，我國(guó)設(shè)施生菜生產(chǎn)裝備化、智能化、無(wú)人化是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 設(shè)施生菜生產(chǎn)裝備應(yīng)用現(xiàn)狀

設(shè)施生菜生產(chǎn)管理過(guò)程主要包含精量播種、種苗培育、幼苗定植、田間管理、收獲運(yùn)輸5個(gè)環(huán)節(jié)。目前，“物聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”的形式已被大力推行，大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。利用各種傳感器對(duì)農(nóng)作物所需的溫濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度等環(huán)境因子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)控[3-4]，利用PLC控制器和HMI人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)水肥一體化精準(zhǔn)控制以及生菜的采收等環(huán)節(jié)。現(xiàn)階段，自動(dòng)化生產(chǎn)裝備已經(jīng)應(yīng)用到每一個(gè)環(huán)節(jié)，但對(duì)應(yīng)的配套生產(chǎn)線作業(yè)，還在逐步研究中。

2.1 精量播種

為保證種子的出苗率，要對(duì)生菜種子用溫水或藥劑進(jìn)行播前消毒，在種子入土過(guò)程中可能會(huì)遭到逆境的侵襲而延緩萌發(fā)，甚至不能出苗；有的種子體積太小或者外形無(wú)規(guī)則，不利于機(jī)械播種。為了解決這一問(wèn)題，一般會(huì)用薄膜包衣或者丸粒化技術(shù)處理種子[5]，從而提高種子質(zhì)量保證苗齊苗壯。

播種作為生菜生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，其主要過(guò)程如圖1 所示，其精度和效率直接影響成苗質(zhì)量，因此出現(xiàn)了多種自動(dòng)播種裝備，根據(jù)播種原理，現(xiàn)有的播種設(shè)備可以大致分為機(jī)械式、氣力式和磁吸式3類(lèi)，因?yàn)樯朔N子無(wú)規(guī)則、粒徑小的特點(diǎn)，故以氣吸滾筒播種機(jī)應(yīng)用最為廣泛。它利用真空吸附原理，依靠渦旋氣泵及振動(dòng)器，通過(guò)滾筒上的吸孔吸附儲(chǔ)種盒中的種子。當(dāng)滾筒勻速轉(zhuǎn)到下方時(shí)，在正壓和種子自身重力的作用下，使種子恰好落入穴盤(pán)之中[6-7]，有效避免了多播漏播，平均播種精度大概在75%以上。

圖1 播種流程圖

在自動(dòng)播種裝備基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有播種線自動(dòng)化程度低、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作協(xié)調(diào)性差、播種精度低等問(wèn)題，配合電控元器件，形成了比較典型的播種流水線，如圖2所示，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)基質(zhì)攪拌、發(fā)盤(pán)、上料裝基、壓穴、播種、裂解、覆基、噴水等工序[8-10]，有效提高了作業(yè)效率與播種精度并且降低了空穴率。

圖2 精量播種生產(chǎn)線

王晨健等[11]研發(fā)的新型生菜精量播種裝備，依靠?jī)膳盼煨D(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)并按順序交替完成播種作業(yè)，由導(dǎo)種管實(shí)現(xiàn)種子降落無(wú)偏差，并完成快速精確排種。試驗(yàn)結(jié)果表明，播種成功率達(dá)到90.6%，重播率為6.7%，漏播率為2.7%。有效保證了排種效率，達(dá)到了精量播種的要求，但該裝備負(fù)壓分流管內(nèi)壓強(qiáng)和氣流速度會(huì)影響取種效果，導(dǎo)致吸嘴入口處的壓力大小不穩(wěn)定，容易漏播或重播。李小冉等研究的小型氣力式蔬菜精量播種機(jī)，適用于溫室大棚，提高了播種機(jī)的適應(yīng)性，正負(fù)壓作用排種有效解決了種子粘盤(pán)而漏播的問(wèn)題；攪拌裝置的設(shè)計(jì)，有效提高了排種器的充種率。但種子掉入種箱時(shí)，速度較大，容易產(chǎn)生飛彈現(xiàn)象。為解決種子不規(guī)則、難吸附、排種不穩(wěn)定等問(wèn)題，曾山等[12]設(shè)計(jì)了一種氣吸式小粒種精量穴播排種器，在正負(fù)壓作用下，排種器性能得到了優(yōu)化。但要想保證播種效率，就必須確定排種器的合理工作壓力范圍。祁兵等[13]在氣力集排式精量排種器基礎(chǔ)上，對(duì)排種器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并結(jié)合分割實(shí)體方法，得出漏播率維持較低水平的排種器室壓力范圍，進(jìn)一步提升了播種精度。

綜上所述，這些播種裝備工作原理大致相同，均有效解決了由于生菜種子質(zhì)量輕、粒徑小、形狀無(wú)規(guī)則所造成的重播率漏播率高、播種精度低、自動(dòng)化控制程度低等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了播種裝備的精量化和高效化。但這些裝備中對(duì)于壓強(qiáng)、氣流速度等因素的要求嚴(yán)格，可能會(huì)差生誤差。

2.2 種苗培育

種苗培育是生菜種子萌發(fā)成為壯苗最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的土壤育苗由于土壤未經(jīng)消毒處理存在細(xì)菌、真菌，所以根部容易發(fā)生病蟲(chóng)害，低效且浪費(fèi)資源。目前逐漸被穴盤(pán)育苗和潮汐式育苗、植物工廠代替，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)水節(jié)肥高效無(wú)污染。生菜的穴盤(pán)育苗一般采用72孔或者128孔穴盤(pán)，基質(zhì)一般使用泥炭和珍珠巖。潮汐式育苗主要是一種從底部灌溉育苗的方式，如圖3 所示，能充分利用育苗容器空間，節(jié)省勞動(dòng)用工60%～90%，主要通過(guò)施肥機(jī)和循環(huán)管路控制元器件，讓水肥在閉合系統(tǒng)內(nèi)“零排放”循環(huán)使用，便捷高效，供給準(zhǔn)確性較高，顯著提高了水肥利用率，也實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化管理和工廠化生產(chǎn)[14]。而植物工廠如圖4所示，是通過(guò)一定的工程技術(shù)手段，對(duì)影響幼苗生長(zhǎng)的所有環(huán)境因素如溫度、濕度、光照、CO2以及營(yíng)養(yǎng)液等進(jìn)行高精度自動(dòng)控制，不受自然環(huán)境限制，能確保幼苗在穩(wěn)定、合理的條件下生長(zhǎng)，從而保證幼苗的高品質(zhì)，生產(chǎn)能力穩(wěn)定[15-17]。潮汐式育苗和植物工廠育苗均可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量高、周期短、速度快、污染少、效益高，并有效提高了我國(guó)的設(shè)施利用率，前者可以實(shí)現(xiàn)90%以上的水肥利用率，并且栽培床下沒(méi)有雜草生長(zhǎng)，可有效減少菌類(lèi)滋生。除此之外，潮汐式育苗床使用壽命較長(zhǎng)，但是嚴(yán)禁暴曬；而后者相比之下最大的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在質(zhì)量，其過(guò)程無(wú)污染、無(wú)蟲(chóng)害也不使用農(nóng)藥。另外，植物工廠初始投入和后期維護(hù)成本較高，并且耗電量巨大，很大程度上限制了推廣和使用[18]。

圖3 潮汐式育苗床

圖4 植物工廠培育生菜

種苗培育過(guò)程中還應(yīng)解決水肥光溫氣的耦合調(diào)控，以此來(lái)確保幼苗的正常生長(zhǎng)，避免弱病苗和死苗存在的現(xiàn)象。其中，水肥方面主要結(jié)合水肥一體化技術(shù)利用灌溉設(shè)備的同時(shí)，把水分、養(yǎng)分均勻精準(zhǔn)且定時(shí)定量地供給作物；環(huán)境溫濕度作為最基本的重要條件，已經(jīng)從基于經(jīng)驗(yàn)的手動(dòng)控制發(fā)展到了現(xiàn)在的基于多源信息融合的智能控制階段：通過(guò)環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器等原位生理監(jiān)測(cè)傳感技術(shù)，利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),并融合AI技術(shù)，結(jié)合模糊理論、遺傳算法等數(shù)學(xué)工具建立與植物生長(zhǎng)模型相適應(yīng)的精細(xì)環(huán)境控制模型,嘗試形成自適應(yīng)學(xué)習(xí)的設(shè)施環(huán)境控制“大腦”。

2.3 幼苗定植

定植指的是將生菜苗從密集的穴盤(pán)里移植到低密度、栽培空間較大的水培槽中繼續(xù)培育。傳統(tǒng)的人工定植方法因?yàn)閯趧?dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低而逐漸被定植裝備所取代。由于技術(shù)要求和經(jīng)濟(jì)的影響，定植裝備的形式也呈現(xiàn)多樣化，如圖5和圖6所示的X-Y-Z型移植機(jī)和機(jī)械手臂型移植機(jī)，前者設(shè)計(jì)復(fù)雜但成本較低，而后者設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易但成本較高。定植裝備的核心部件—機(jī)械手，一般采用氣壓傳動(dòng)，該方式成本較低，反應(yīng)靈敏，易于控制，以拾取部件分類(lèi)主要有鏟式和針式兩種，前者適用于小苗定植，精度高但尺寸較大，容易對(duì)基質(zhì)造成破壞；后者依靠伸縮針的傾角對(duì)基質(zhì)進(jìn)行提取，能夠有效避免基質(zhì)塊的破裂[19]，但對(duì)控制精細(xì)程度要求更高。

圖5 X-Y-Z型移植機(jī)

圖6 機(jī)械手臂型移植機(jī)

童俊華等[20]研究的葉菜高速稀植機(jī)構(gòu)，適用于泥炭基質(zhì)育苗方式，利用所設(shè)計(jì)的針爪式多移植手進(jìn)行稀植移栽作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)穴盤(pán)內(nèi)成排取苗和栽培槽變間距并行植苗作業(yè)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)得，移栽的平均效率為3 956株/h，成功率為96.7%，但是該裝置作業(yè)部件在碰撞過(guò)程中，容易導(dǎo)致缽苗基質(zhì)掉落在外部或者傾斜于內(nèi)部，影響幼苗生長(zhǎng)。王超等[21]研究的氣動(dòng)下壓式高速取苗裝置，通過(guò)“有序供盤(pán)、連續(xù)送苗、氣動(dòng)下壓取苗、自由投苗”等作業(yè)工序，改善了取苗頻率低、基質(zhì)破損等的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，其頻率已經(jīng)達(dá)到7 200株/h，實(shí)現(xiàn)了高速取苗。同種夾取式取苗方式還有英國(guó)的Pearson自動(dòng)蔬菜移栽機(jī)[22]，將缽苗成排取出進(jìn)行定植，移栽的作業(yè)效率高達(dá)14 400株/h。龍新華等研究的穴盤(pán)苗自動(dòng)移栽機(jī)，苗盤(pán)進(jìn)給裝置用“已”字型進(jìn)行移位，實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程的取苗、拔苗和投苗。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該裝置可以提高移栽效率，精確性可靠，但是由于裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，環(huán)節(jié)較多，橫向和縱向位移的距離不精準(zhǔn)，極易差生誤差。劉凱等研究的移栽機(jī)器人，用視覺(jué)相機(jī)提供每顆苗是否滿(mǎn)足移栽條件的觸發(fā)信號(hào)后，通過(guò)兩臺(tái)PLC間的邏輯控制系統(tǒng)對(duì)移栽機(jī)械手進(jìn)行調(diào)相和移栽作業(yè)，在挑選了符合基準(zhǔn)幼苗的同時(shí)有效提高了幼苗定植的精度，但該過(guò)程對(duì)秧苗輸送的精度要求較高，如出現(xiàn)誤差會(huì)導(dǎo)致機(jī)械手定位不準(zhǔn)，無(wú)法移栽。黃林生等[23]研究的基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的生菜多光譜圖像分割與配準(zhǔn)，對(duì)生菜多光譜進(jìn)行精準(zhǔn)分割，結(jié)合邊緣提取算法對(duì)生菜多光譜圖像進(jìn)行精確配準(zhǔn)，有利于無(wú)損監(jiān)測(cè)生菜生長(zhǎng)狀態(tài)和確定其采摘時(shí)期，但在近距離采集各通道圖像時(shí)，很容易產(chǎn)生位移偏差。

以上研究均針對(duì)基質(zhì)缽苗，并融合了先進(jìn)的傳感器技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，大幅度提高了移栽作業(yè)效率，保證了幼苗移栽的質(zhì)量問(wèn)題。在裝備功能方面，已經(jīng)從過(guò)去單一的精準(zhǔn)定位功能，發(fā)展到了篩選和定位的多功能集成。但是這些裝備在移送作業(yè)過(guò)程中會(huì)伴隨著變速運(yùn)動(dòng)，而運(yùn)動(dòng)過(guò)程中因?yàn)閵A持力、摩擦力、沖擊力的大小改變而產(chǎn)生誤差，很容易導(dǎo)致苗針夾苗不穩(wěn)、缽苗基質(zhì)散落，均不利于幼苗后期生長(zhǎng)。另外，定植裝備中主要部件設(shè)計(jì)復(fù)雜，維修也很困難。

2.4 田間管理

隨著設(shè)施生菜種植規(guī)模的逐步擴(kuò)大，田間管理成為幼苗定植后的重要環(huán)節(jié)，旨在運(yùn)用系列設(shè)施裝備來(lái)提高生菜的生長(zhǎng)質(zhì)量與抗病能力。傳統(tǒng)的管理模式以經(jīng)驗(yàn)農(nóng)業(yè)為主，難以及時(shí)監(jiān)測(cè)生菜生長(zhǎng)信息，目前設(shè)施生菜的栽培模式在不斷地完善，田間管理也采用系統(tǒng)模塊化的設(shè)計(jì)，運(yùn)行性能穩(wěn)定，依據(jù)各傳感器的數(shù)據(jù)對(duì)生菜生長(zhǎng)的環(huán)境：溫濕度、輻射等因素進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，有效控制了生菜生產(chǎn)過(guò)程中的水肥光溫氣問(wèn)題，保證生菜能夠吸收充足的水分和養(yǎng)分，提高抵抗力，從而減少病蟲(chóng)害的入侵，從根本上提高了設(shè)施生菜的質(zhì)量問(wèn)題。

我國(guó)對(duì)設(shè)施生菜的立體栽培模式進(jìn)行了大量的研究，如墻體栽培、立柱式栽培和三層栽培架的使用，如圖7所示，這些栽培模式保證了生菜的種植密度，同時(shí)，有效提高了單位面積產(chǎn)出率和空間利用效率，節(jié)約了土地資源，且操作過(guò)程簡(jiǎn)單，減輕了勞動(dòng)力強(qiáng)度[24]，對(duì)產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。但是上述普通立體栽培模式受光照影響較大，上層光照條件充足而下層被遮擋，造成各層光照分布不均勻，容易產(chǎn)生葉片遮光現(xiàn)象和光照不充足的情況，從而，導(dǎo)致產(chǎn)量差異較為明顯。因此，相關(guān)研究提出一種立體錯(cuò)位栽培模式，如圖8所示，這種模式將栽培槽按照上下左右不同的間距分層放置，可以充分提高生菜生產(chǎn)的光照利用率。

圖7 栽培架

圖8 立體錯(cuò)位栽培

病蟲(chóng)害防治是田間管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要以化學(xué)方法為主，傳統(tǒng)噴灑農(nóng)藥方式頻率高、劑量大，容易造成農(nóng)藥污染。而我國(guó)的智能精準(zhǔn)噴藥裝備正在逐步發(fā)展中，現(xiàn)階段一般采用噴霧機(jī)器人裝備結(jié)合傳感器技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)來(lái)根據(jù)規(guī)劃好的路徑引導(dǎo)施藥，然后根據(jù)設(shè)施生菜作物的大小以及稠密程度進(jìn)行變速?lài)婌F達(dá)到按需噴藥，同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自由行走。楊征鶴等[25]研究的對(duì)靶噴霧機(jī)器人能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)病蟲(chóng)害、找到病蟲(chóng)害發(fā)生的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)靶精準(zhǔn)噴藥。靳文停等[26]研究的履帶式噴藥機(jī)器人，以單片機(jī)為核心，利用履帶底盤(pán)、攪拌機(jī)自主攝像頭等原件結(jié)合光電傳感器、避障傳感器實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)噴藥作業(yè)。目前病蟲(chóng)害的防治與機(jī)器視覺(jué)不斷融合，有效提高了病蟲(chóng)害的識(shí)別效率和準(zhǔn)確性。

水肥調(diào)控是田間管理的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，主要采用單片機(jī)或可編程控制器等作為CPU，配合模擬量采集單元和液位、流量、EC、pH等傳感器[27]，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生菜生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)，并結(jié)合作物生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律和水分養(yǎng)分吸收特征，控制外圍施肥機(jī)，以持續(xù)為作物提供最佳生長(zhǎng)環(huán)境，即利用水肥一體化裝備，如圖9所示，實(shí)現(xiàn)水肥的按需供給。國(guó)外的水肥一體化裝備，如以色列的耐特菲姆NetBeat和荷蘭的priva施肥機(jī)等，集成度高、體系性強(qiáng)，其產(chǎn)品已非常成熟且形成產(chǎn)業(yè)并對(duì)外出口。我國(guó)的水肥一體化裝備雖然起步較晚，但經(jīng)過(guò)幾年的快速發(fā)展，已經(jīng)基本上擺脫了對(duì)進(jìn)口設(shè)備的依賴(lài)，不論是首部裝備還是控制策略，均取得了較大的進(jìn)展[28]，并針對(duì)不同作物進(jìn)行了大量需水規(guī)律或灌溉方法試驗(yàn)，初步形成了符合我國(guó)氣候特征的智能灌溉方法。

圖9 全自動(dòng)水肥一體化設(shè)備

其中，國(guó)內(nèi)一些公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的滴灌系列、管道管件、過(guò)濾系列等高效灌溉產(chǎn)品，保證了水肥一體化首部和末端的穩(wěn)定性；中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究院研制的2000型溫室自動(dòng)灌溉施肥系統(tǒng)、天津市水利科學(xué)研究所研制的FICS-1和FICS-2型滴灌施肥智能化控制系統(tǒng)等進(jìn)一步推動(dòng)了我國(guó)水肥一體化設(shè)備的開(kāi)發(fā)和推廣。北京市農(nóng)林科學(xué)院智能裝備技術(shù)研究中心開(kāi)發(fā)的水肥一體化裝備集成了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息傳感技術(shù)和控制技術(shù)[29-30]，運(yùn)行穩(wěn)定、應(yīng)用效果明顯，用少量多次的水肥耦合供液模式代替了傳統(tǒng)大水大肥的管控方式，解放了勞動(dòng)力，減少了水分滲漏，有效解決了水肥管理智能化水平低、水肥不協(xié)調(diào)以及水肥利用效率低下的問(wèn)題。

2.5 收獲運(yùn)輸

生菜的收獲過(guò)程一般包括拔取、輸送、切根、剝?nèi)~、裝箱等環(huán)節(jié)[31]。自動(dòng)化收獲不僅速度更快，而且有利于提升蔬菜的保鮮質(zhì)量，能夠切斷各個(gè)途徑的污染，減少病菌傳播等。劍橋大學(xué)研發(fā)的自主生菜采摘機(jī)器人如圖10所示，能夠自主識(shí)別和收獲生菜，融入機(jī)器學(xué)習(xí)的算法訓(xùn)練，在天氣不定的情況下也能識(shí)別健康的生菜。但是，針對(duì)精確定位采摘的發(fā)力點(diǎn)和生菜的健康度識(shí)別一直都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，仍需要不斷研究。

圖10 自主式生菜采摘機(jī)器人

我國(guó)目前對(duì)于生菜采收領(lǐng)域的自動(dòng)化裝置也正在逐步研究中。徐鵬等[32]設(shè)計(jì)的水培葉菜收獲機(jī)，利用往復(fù)式移動(dòng)裝置、限位裝置、轉(zhuǎn)運(yùn)裝置和旋轉(zhuǎn)切刀實(shí)現(xiàn)水培葉菜的切割。采用軌道移動(dòng)式收獲機(jī)和輸送帶相結(jié)合的方式進(jìn)行采收。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)葉菜株距為0.2 m，收獲生產(chǎn)效率為3.0 s/棵時(shí)，收獲成功率為86.7%，有效提升了收獲成功率。但如果葉菜行發(fā)生位置偏移時(shí)，作業(yè)效果將會(huì)產(chǎn)生偏差?？婛i等設(shè)計(jì)的收獲機(jī)控制系統(tǒng)，利用對(duì)行探測(cè)機(jī)構(gòu)迅速檢測(cè)，并調(diào)整偏轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)行，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，作業(yè)效果良好。吳偉等[33]設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的中小型采收平臺(tái)，主要完成菜類(lèi)的采摘和切根等操作，成功率均達(dá)到80%以上，但仍采用定時(shí)間間隔運(yùn)行的模式，不能進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別收獲。莫浩[34]研究的水培奶油生菜裝置，利用PLC檢測(cè)定植板的輸入，就位后用切根裝置迅速完成切根操作，然后用單氣缸進(jìn)行生菜的拔取搬運(yùn)動(dòng)作。該裝置經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，切根成功率為82%，搬運(yùn)成功率為85%，但是該裝置不能保證定植板是否成功到達(dá)指定位置，可能會(huì)造成切根不合格；除此之外，由于剪切刀具刀刃長(zhǎng)短不適，也會(huì)產(chǎn)生影響。

除此之外，生菜運(yùn)輸存儲(chǔ)過(guò)程中因葉片柔嫩且含水量大，容易受損腐爛。因此，生菜的保鮮和溯源問(wèn)題尤為重要。對(duì)生菜進(jìn)行包裝，并提供高濕和氣調(diào)環(huán)境，可以有效保持生菜的新鮮程度。徐燦[35]研究的水培生菜自動(dòng)包裝裝置樣機(jī)，選擇包裝盒、薄膜相結(jié)合的包裝方案，動(dòng)作基本由單片機(jī)控制，包裝盒進(jìn)入輸送帶后，到達(dá)目標(biāo)位置，進(jìn)行封膜。該裝置經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，包裝成功率達(dá)到92%，可以有效減少生菜運(yùn)輸過(guò)程中的損傷，提高水培生菜的商品價(jià)值。但是由于拉伸力大小和刀刃長(zhǎng)度無(wú)法精確把握，可能會(huì)導(dǎo)致切膜、拉膜失敗。姜含露等設(shè)計(jì)的葉菜溯源系統(tǒng)，搭建了生產(chǎn)信息管理、在線監(jiān)測(cè)模塊、倉(cāng)庫(kù)銷(xiāo)售管理和系統(tǒng)管理，實(shí)現(xiàn)了從生產(chǎn)到銷(xiāo)售的信息覆蓋；并結(jié)合ZigBee模塊構(gòu)建RFID組網(wǎng)環(huán)境，對(duì)葉菜的存儲(chǔ)進(jìn)行了質(zhì)量監(jiān)督，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸?shù)乃菰垂芾怼?/p>

3 設(shè)施生菜生產(chǎn)裝備存在的問(wèn)題

設(shè)施生菜生產(chǎn)管理裝備正在經(jīng)歷著從機(jī)械化到自動(dòng)化、信息化、智能化的變革。我國(guó)是世界農(nóng)機(jī)制造和使用大國(guó)，全國(guó)農(nóng)作物耕種收綜合機(jī)械化率超過(guò)71%，但是農(nóng)業(yè)裝備行業(yè)整體大而不強(qiáng)，裝備總量高，但智能化水平低；裝備作業(yè)量大，但智能作業(yè)量少。本文分析了設(shè)施生菜生產(chǎn)各環(huán)節(jié)現(xiàn)有的機(jī)械裝備，目前仍存在以下問(wèn)題需要重點(diǎn)關(guān)注和解決。

3.1 農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝不相融

我國(guó)耕地面積較大，分布范圍廣泛，每個(gè)地區(qū)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，裝備參數(shù)不同，互相獨(dú)立，很難形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[36]，導(dǎo)致部分裝備無(wú)法大范圍推廣應(yīng)用，其中針對(duì)設(shè)施生菜很多裝備，應(yīng)用范圍也存在一定的差異性，大部分裝備適用于大田或大棚等環(huán)境，但卻不適合設(shè)施水培環(huán)境。這主要源于對(duì)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合工作缺乏基本的認(rèn)識(shí)與溝通，農(nóng)藝部門(mén)僅將產(chǎn)量作為工作重點(diǎn)，而農(nóng)機(jī)技術(shù)將有機(jī)械生產(chǎn)代替人工勞作，降低人工投入成本作為工作重點(diǎn)，致使農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝工作分別進(jìn)行。

3.2 設(shè)施生菜生產(chǎn)過(guò)程裝備技術(shù)研究薄弱

我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)業(yè)正在由高速增長(zhǎng)向中速增長(zhǎng)轉(zhuǎn)變，尚未形成完善的以信息技術(shù)為基礎(chǔ)的全程機(jī)械化技術(shù)模式和高度智能化的機(jī)器配置系統(tǒng)。

1) 設(shè)施生菜生產(chǎn)各裝備長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)會(huì)因?yàn)殛P(guān)鍵部件表面的光滑程度、磨損程度等因素，在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)死點(diǎn)、卡頓現(xiàn)象。另外，因裝置設(shè)計(jì)的復(fù)雜特性，對(duì)于磨損嚴(yán)重的關(guān)鍵部件，壽命較低，維修成本也相對(duì)較高。

2) 設(shè)施生菜的自動(dòng)移栽取苗技術(shù)還處于研究階段，大部分裝備取苗時(shí)會(huì)受夾持力影響，從而降低取苗的成功率。除此之外，機(jī)械手入土位置及收縮拾取模式對(duì)于保證基質(zhì)塊的完整性仍然存在不足，導(dǎo)致幼苗根系損傷，成活率未能得到保障。

3) 設(shè)施生菜生產(chǎn)中的收獲裝備與包裝裝備，精準(zhǔn)定位技術(shù)尚不成熟，切割位置定位過(guò)高會(huì)導(dǎo)致收獲損失較大，定位偏低會(huì)導(dǎo)致切割阻力增大，刀片表面磨損，關(guān)鍵部件使用壽命降低。同時(shí)，定位不精準(zhǔn)也會(huì)導(dǎo)致刀片切割時(shí)，刀刃長(zhǎng)度不夠，采收時(shí)切根失敗或者包裝時(shí)割膜失敗。

4) 設(shè)施生菜運(yùn)輸過(guò)程中，為保持生菜的新鮮度，包裝時(shí)會(huì)對(duì)生菜進(jìn)行一定的壓縮，而目前我國(guó)缺乏對(duì)生菜擠壓特性的研究，導(dǎo)致包裝裝備方面的相關(guān)成果缺乏。而且，針對(duì)運(yùn)輸過(guò)程中已經(jīng)造成生菜損傷情況的補(bǔ)救措施與裝備使用情況的研究較少。除此之外，專(zhuān)門(mén)針對(duì)生菜的溯源系統(tǒng)不夠完善，很少有這方面的研究成果出現(xiàn)。

5) 播種時(shí)為保證種子出苗率需篩選種子活性、移栽時(shí)為提高幼苗成活率需篩選幼苗的合格度、收獲時(shí)為識(shí)別生菜的合格率需篩選葉面積大小等，以上裝備的識(shí)別都需要用到圖像處理技術(shù)，目前常見(jiàn)的是辣椒與番茄的識(shí)別研究，而對(duì)于生菜裝備的圖像處理技術(shù)應(yīng)用研究非常少。

4 設(shè)施生菜生產(chǎn)裝備研究展望

隨著我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，設(shè)施生菜的產(chǎn)量、質(zhì)量、價(jià)值等方面要求也在不斷提高，只有加快生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)的創(chuàng)新，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器視覺(jué)、人工智能等新一代信息技術(shù)手段，推動(dòng)生產(chǎn)裝備和技術(shù)向更高水平發(fā)展，提高智能感知技術(shù)的精準(zhǔn)度、可靠性和實(shí)時(shí)性，更好地為自動(dòng)調(diào)度提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。因此，如何合理銜接各道工序，實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙多岔口高效生產(chǎn)，大幅提高生菜生產(chǎn)效率，解決當(dāng)前供需矛盾成為了近幾年農(nóng)業(yè)信息化領(lǐng)域的熱門(mén)研究課題，在未來(lái)的發(fā)展方向主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1) 設(shè)施生菜生產(chǎn)裝備實(shí)現(xiàn)智能控制，趨向于全程裝備化、智能化、無(wú)人化方向發(fā)展。農(nóng)業(yè)機(jī)器人集成的傳感器技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、通信技術(shù)和精密機(jī)械技術(shù)等前沿科學(xué)技術(shù)，能夠更好地應(yīng)用于設(shè)施生菜生產(chǎn)管理各環(huán)節(jié)中，如智能?chē)娝帯⒅悄鼙O(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、及時(shí)預(yù)警并采取措施、自主采收，結(jié)合各環(huán)節(jié)生產(chǎn)裝備能夠更好地實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)、增收。

2) 設(shè)施生菜生產(chǎn)裝備實(shí)現(xiàn)流水線作業(yè)。目前，設(shè)施生菜生產(chǎn)各環(huán)節(jié)之間相互銜接功能還未達(dá)到要求，只停留在單個(gè)設(shè)備的自動(dòng)控制中。在下一階段的發(fā)展中，應(yīng)該加大力量開(kāi)發(fā)各環(huán)節(jié)銜接作業(yè)裝備，突破各階段間的機(jī)械控制設(shè)備的銜接算法，以形成流水線作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙多岔口的高效生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械控制設(shè)備系統(tǒng)的全自動(dòng)化。

3) 生產(chǎn)管理過(guò)程由單一的信息系統(tǒng)向融合大數(shù)據(jù)平臺(tái)的方向不斷演變?，F(xiàn)階段僅僅依靠單一的信息技術(shù)并不能完全解決設(shè)施生菜生產(chǎn)面臨的問(wèn)題，而需要大數(shù)據(jù)、專(zhuān)家系統(tǒng)、人工智能、機(jī)器視覺(jué)等綜合性的系統(tǒng)方法，實(shí)現(xiàn)設(shè)施生菜的生產(chǎn)管理一體化管控和智能化控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文全面梳理了設(shè)施生菜從播種、種苗培育、幼苗定植、田間管理到收獲運(yùn)輸各個(gè)過(guò)程的作業(yè)裝備應(yīng)用現(xiàn)狀，并根據(jù)裝備的使用情況總結(jié)出了現(xiàn)有裝備的不足，為提升我國(guó)設(shè)施生菜的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，加快設(shè)施生菜生產(chǎn)過(guò)程朝著高效化、高質(zhì)化、精準(zhǔn)化、智能化、無(wú)人化方向發(fā)展提供了有益借鑒。